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CN110866896A - 基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法 - Google Patents

基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法 Download PDF

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CN110866896A
CN110866896A CN201911036279.8A CN201911036279A CN110866896A CN 110866896 A CN110866896 A CN 110866896A CN 201911036279 A CN201911036279 A CN 201911036279A CN 110866896 A CN110866896 A CN 110866896A
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Abstract

本发明公开了一种基于k‑means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法，该方法使用水平集图像分割与k‑means聚类相结合的方法，将给定目标图像分割为多个具有相似特征的超像素区域，以抽象图像中不必要的细节，然后使用直方图加速的方法量化所有超像素内的颜色特征，减少颜色数量，提高计算效率，全局对比所有超像素区域在Lab色彩空间下的距离和平面空间的距离计算区域显著值，并结合背景先验和多尺度空间融合进一步优化检测效果。对于后期的机器视觉处理具有重要的意义，而且其成本远低于后续的复杂图像处理。

Description

基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测 方法
技术领域
本发明涉及数字图像处理的领域，尤其涉及一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法。
背景技术
随着互联网和通信技术的快速发展，人们能够获取的外界信息呈现井喷式增长，“大数据”时代已然到来。在人类日常获取的各种信息之中，又以图像信息所包含的信息量最为丰富，实际上人类一天获取的各种信息80％来自于视觉图像信息。著名视频网站YouTube在庆祝8周年生日时披露，每分钟上传到该网站的视频已突破100亿小时，而著名社交网站Facebook在其2013年的白皮书中透露，该公司的11.5亿用户每天平均向其网站上传3.5亿张照片。面对如此海量的图像与视频信息，如何从这些图像和视频中快速地获取对人们有用的重要信息，已经成为摆在研究人员面前的一个重要问题。
长期以来，心理学家和神经科学家一直在研究人类视觉显著性这种能力，而随着计算机视觉技术的发展，人类的视觉注意机制同时在机器视觉领域引起了极大的兴趣与关注，主要是因为它有助于发现有效表示场景的对象或区域，从而利用于解决复杂的视觉问题。
如今视觉显著性检测在计算机视觉、图像感知和人形机器人等诸多领域得到了广泛的利用，具体应用如物体检测与识别，图像和视频压缩，视频摘要，照片拼接与媒体重定向，图像质量估计，图像分割，基于内容的图像检索和图像采集浏览，图像编辑和操作，视觉跟踪，对象发现和人机交互等。
人类视觉系统在面对自然场景时具有快速搜索和定位感兴趣目标的能力，这种视觉注意机制是人们日常生活中处理视觉信息的重要机制。随着互联网带来的大数据量的传播，如何从海量的图像和视频数据中快速地获取重要信息，已经成为计算机视觉领域一个关键的问题。通过在计算机视觉任务中引入这种视觉注意机制，即视觉显著性，可以为视觉信息处理任务带来一系列重大的帮助和改善。引入视觉显著性的优势主要表现在两个方面，第一，它可将有限的计算资源分配给图像视频中更重要的信息，第二，引入视觉显著性的结果更符合人的视觉认知需求。视觉显著性检测在目标识别，图像视频压缩，图像检索，图像重定向等中有着重要的应用价值。视觉显著性检测模型是通过计算机视觉方法去预测图像或视频中的哪些信息更受到视觉注意的过程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了计算高效的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法。
本发明提供一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法，包括以下步骤：
步骤1：输入一张彩色RGB图像IRGB，包括R、G、B三个通道；
步骤2：使用CV水平集演化模型将步骤1输入的彩色图像IRGB分割为多个具有相似特征的超像素区域rm，并定位图像的前景区域rforeground和背景区域rbackground；
步骤3：将面积大于整体图像30％的大块超像素区域rm通过k-means方法进行再分割，分割为3个小的超像素区域；
步骤4：将彩色图像IRGB进行颜色量化，将图像颜色的数量减少到少于256种，生成新的图像
Figure BDA0002251589960000021
步骤5：将新的图像
Figure BDA0002251589960000022
从RGB色彩空间转换到Lab色彩空间，生成新的图像
Figure BDA0002251589960000023
对比每一个超像素区域在Lab空间的颜色距离和空间距离，生成原始显著图Soriginal；
步骤6：通过计算新的图像
Figure BDA0002251589960000031
与背景区域在Lab色彩空间的距离生成原始背景显著图
Figure BDA0002251589960000032
然后将原始背景显著图
Figure BDA0002251589960000033
与原始显著图Soriginal融合后生成背景先验显著图Sbackground；
步骤7：将图像IRGB在2尺度空间和4尺度空间重复步骤2至步骤6，生成多尺度背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000034
和
Figure BDA0002251589960000035
通过融合原尺度背景先验显著图Sbackground、多尺度背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000036
和
Figure BDA0002251589960000037
生成最后的显著图Sfinal。
进一步地，所述步骤2中使用CV水平集演化模型将彩色图像IRGB分割为多个超像素区域的方法为：
(a)将彩色图像IRGB转换为灰度图像IGray，将灰度图IGray中每个像素的灰度值作为IGray数组中的值；
(b)初始化水平集IPhi，让水平集数组里的每一个元素的值为2，水平集IPhi是和灰度图像IGray有着相同形状的数组；
(c)更新水平集IPhi，迭代m次，m>2；更新的过程为：
Figure BDA0002251589960000038
其中，sum表示求和、
Figure BDA0002251589960000039
表示更新的水平集,
Figure BDA00022515899600000310
表示更新前的水平集，row和col分别是灰度图像IGray的高和宽；IDirac是狄克拉函数；IHeaviside是海式函数；ICurv是图像曲率，通过Sobel算子计算；IDirac、IHeaviside和ICurv均是与灰度图像IGray有相同形状的数组，IDirac和IHeaviside的计算公式分别如下：
Figure BDA0002251589960000041
Figure BDA0002251589960000042
(d)水平集IPhi迭代m次后，生成最终的水平集
Figure BDA0002251589960000043
通过自适应阈值，将水平集
Figure BDA0002251589960000044
二值化得到Imask，通过轮廓定位，将灰度图像的轮廓寻找出来，即二值化图像Imask的灰度值0和255的边界为轮廓，每一个轮廓代表了一个超像素区域rm。
进一步地，所述步骤2中定位前景区域和背景区域的方法为：将超像素区域内的区域的合集定义为前景区域rforeground，超像素区域外的区域定义为背景区域rbackground。
进一步地，所述步骤3对大块超像素区域进行再分割，按如下步骤进行：
a)将区域面积大于图像30％的大块超像素区域单独提取出来；
b)k-mean的聚类数设置为3个，随机选择该大块超像素区域中的三个像素点作为初始聚类中心，然后分别计算大块超像素区域内其他像素点与三个中心像素点的空间距离，选与其空间距离最小的中心像素点归于一类。
c)然后在三个聚类好的聚类体中再随机选择三个中心像素点，重复步骤b)直到聚类不再发生变化，三个聚类就成为三个新的超像素区域。
进一步地，所述步骤4对彩色图像IRGB进行颜色量化，按如下步骤进行：
(a)将彩色图像IRGB三个通道R、G、B分离开来，通过R*144+G*12+B*1这个公式，将颜色的最大数量256*256*256减小到12*12*12；
(b)为进一步减少颜色数量到256种，统计每一种颜色的数量，个数较少的几种颜色会被与它颜色最相近的颜色替代，直到颜色的总个数少于256种，则生成了一个新的彩色图片
Figure BDA0002251589960000045
进一步地，所述步骤5进行区域对比生成原始显著图，按如下步骤进行：
(a)首先将新的图像
Figure BDA0002251589960000051
从RGB色彩空间转换到Lab色彩空间，生成一个形状和
Figure BDA0002251589960000052
一样的三通道数组
Figure BDA0002251589960000053
(b)某一超像素区域的显著值计算过程为，
Figure BDA0002251589960000054
其中Ds(rk,rm)是区域rk和区域之rm间的空间距离，w(rm)指颜色距离权值，即rm区域内像素点的个数，区域
Figure BDA0002251589960000055
指空间距离权值，
Figure BDA0002251589960000056
值越大，表示空间距离对显著值的影响越大；
Figure BDA0002251589960000057
是区域r1和区域r2的Lab颜色距离；
其中f(ck,i)为第i个颜色ck,i在第k个区域rk的多有nk种颜色种出现的概率，k＝{1,2}；
(c)对每一个超像素区域都执行(b)步骤，最后归一化显著值S(rk)获取原始显著图Soriginal；
其中，k、m均表示超像素区域，i表示颜色种类。
进一步地，所述步骤6中生成原始背景显著图，然后与原始显著图融合生成背景先验显著图的方法为：
(a)计算背景区域的平均
Figure BDA0002251589960000058
值，通过计算图像
Figure BDA0002251589960000059
内每一个点离平均值的距离求取原始背景显著图
Figure BDA00022515899600000510
(b)融合Soriginal和
Figure BDA00022515899600000511
的得到背景先验显著图
Figure BDA00022515899600000512
进一步地，所述步骤7中生成最后的显著图Sfinal，按如下步骤进行：
(a)先获取原始图像IRGB在1/2和1/4尺度下的图像
Figure BDA0002251589960000061
(b)两幅尺度图分别执行步骤2到6的过程，获取两张背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000062
和
Figure BDA0002251589960000063
(c)融合三个尺度空间的显著图生成最后的显著图
Figure BDA0002251589960000064
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：对于后期的机器视觉处理具有重要的意义，而且其成本远低于后续的复杂图像处理。
附图说明
图1是本发明一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性目标检测方法，包括以下步骤：
步骤1：输入一张彩色RGB图像IRGB，包括R、G、B三个通道；
步骤2：使用CV水平集演化模型将步骤1输入的彩色图像IRGB分割为多个具有相似特征的超像素区域rm，并定位图像的前景区域rforeground和背景区域rbackground；具体步骤如下：(1)将彩色图像IRGB转换为灰度图像IGray，将灰度图IGray中每个像素的灰度值作为IGray数组中的值；
(2)初始化水平集IPhi，让水平集数组里的每一个元素的值为2，水平集IPhi是和灰度图像IGray有着相同形状的数组，即有相同的行数列数；
(3)更新水平集IPhi，迭代100次，更新的过程为：
Figure BDA0002251589960000071
其中，sum表示求和、
Figure BDA0002251589960000072
表示更新后的水平集,
Figure BDA0002251589960000073
表示更新前的水平集，row和col分别是灰度图像IGray的高和宽；IDirac是狄克拉函数；IHeaviside是海式函数；ICurv是图像曲率，通过Sobel算子计算；IDirac、IHeaviside和ICurv均是与灰度图像IGray有相同形状的数组，IDirac和IHeaviside的计算公式分别如下：
Figure BDA0002251589960000074
Figure BDA0002251589960000075
(4)水平集IPhi迭代100次后，生成最终的水平集
Figure BDA0002251589960000076
通过自适应阈值，将水平集
Figure BDA0002251589960000077
二值化得到Imask，通过轮廓定位，将灰度图像的轮廓寻找出来，即二值化图像Imask的灰度值0和255的边界为轮廓，每一个轮廓代表了一个超像素区域rm，所述轮廓内的区域为图像前景区域rforeground，轮廓外的区域为图像背景区域rbackground。
步骤3：将面积大于整体图像30％的大块超像素区域通过k-means方法进行再分割，分割为3个小的超像素区域；具体方法为：将k-mean的聚类数设置为3个，随机选择该大块超像素区域中的三个像素点作为初始聚类中心，然后分别计算大块超像素区域内其他像素点与三个中心像素点的空间距离，选与其空间距离最小的中心像素点归于一类；然后在三个聚类好的聚类体中再随机选择三个中心像素点，重复聚类操作，直到聚类不再发生变化，三个聚类就成为三个新的超像素区域。
步骤4：将彩色图像IRGB三个通道R、G、B分离开来，通过R*144+G*12+B*1这个公式，将颜色的最大数量256*256*256减小到12*12*12；为进一步减少颜色数量到256种，统计每一种颜色的数量，个数较少的几种颜色会被与其颜色最相近的颜色替代，直到颜色的总个数少于256种，则生成了一个新的彩色图片
Figure BDA0002251589960000081
步骤5：将新的图像
Figure BDA0002251589960000082
从RGB色彩空间转换到Lab色彩空间，生成一个形状和
Figure BDA0002251589960000083
一样的三通道数组
Figure BDA0002251589960000084
某一超像素区域的显著值计算过程为，
Figure BDA0002251589960000085
其中Ds(rk,rm)是区域rk和区域之rm间的空间距离，w(rm)指颜色距离权值，即rm区域内像素点的个数，区域
Figure BDA0002251589960000086
指空间距离权值，
Figure BDA0002251589960000087
值越大，表示空间距离对显著值的影响越大，本发明中
Figure BDA0002251589960000088
Figure BDA0002251589960000089
是区域r1和区域r2的Lab颜色距离；
其中f(ck,i)为第i个颜色ck,i在第k个区域rk的多有nk种颜色种出现的概率，k＝{1,2}；
对每一个超像素区域都计算显著值，最后归一化显著值S(rk)获取原始显著图Soriginal；
其中，k、m均表示超像素区域，i表示颜色种类。
步骤6：计算背景区域的平均
Figure BDA00022515899600000810
值，通过计算图像
Figure BDA00022515899600000811
内每一个点离平均值的距离求取原始背景显著图
Figure BDA0002251589960000091
融合Soriginal和
Figure BDA0002251589960000092
的得到背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000093
步骤7：先获取原始图像IRGB在1/2和1/4尺度下的图像
Figure BDA0002251589960000094
两幅尺度图分别执行步骤2到6的过程，获取两张背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000095
和
Figure BDA0002251589960000096
融合原尺度背景先验显著图Sbackground、多尺度背景先验显著图
Figure BDA0002251589960000097
和
Figure BDA0002251589960000098
生成最后的显著图
Figure BDA0002251589960000099
以上所述仅为本发明的一个实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

Claims (8)

1.一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入一张彩色RGB图像IRGB，包括R、G、B三个通道；
步骤2：使用CV水平集演化模型将步骤1输入的彩色图像IRGB分割为多个具有相似特征的超像素区域rm，并定位图像的前景区域rforeground和背景区域rbackground；
步骤3：将面积大于整体图像30％的大块超像素区域rm通过k-means方法进行再分割，分割为3个小的超像素区域；
步骤4：将彩色图像IRGB进行颜色量化，将图像颜色的数量减少到少于256种，生成新的图像
Figure FDA0002251589950000011
步骤5：将新的图像
Figure FDA0002251589950000012
从RGB色彩空间转换到Lab色彩空间，生成新的图像
Figure FDA0002251589950000013
对比每一个超像素区域在Lab空间的颜色距离和空间距离，生成原始显著图Soriginal；
步骤6：通过计算新的图像
Figure FDA0002251589950000014
与背景区域在Lab色彩空间的距离生成原始背景显著图
Figure FDA0002251589950000015
然后将原始背景显著图
Figure FDA0002251589950000016
与原始显著图Soriginal加权融合后生成背景先验显著图Sbackground；
步骤7：将图像IRGB在2尺度空间和4尺度空间重复步骤2至步骤6，生成多尺度背景先验显著图
Figure FDA0002251589950000017
和
Figure FDA0002251589950000018
通过融合原尺度背景先验显著图Sbackground、多尺度背景先验显著图
Figure FDA0002251589950000019
和
Figure FDA00022515899500000110
生成最后的显著图Sfinal。
2.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤2中使用CV水平集演化模型将彩色图像IRGB分割为多个超像素区域的方法为：
(a)将彩色图像IRGB转换为灰度图像IGray，将灰度图IGray中每个像素的灰度值作为IGray数组中的值；
(b)初始化水平集IPhi，让水平集数组里的每一个元素的值为2，水平集IPhi是和灰度图像IGray有着相同形状的数组；
(c)更新水平集IPhi，迭代m次，m>2；更新的过程为：
Figure FDA0002251589950000021
其中，sum表示求和、
Figure FDA0002251589950000022
表示更新的水平集,
Figure FDA0002251589950000023
表示更新前的水平集，row和col分别是灰度图像IGray的高和宽；IDirac是狄克拉函数；IHeaviside是海式函数；ICurv是图像曲率，通过Sobel算子计算；IDirac、IHeaviside和ICurv均是与灰度图像IGray有相同形状的数组，IDirac和IHeaviside的计算公式分别如下：
Figure FDA0002251589950000024
Figure FDA0002251589950000025
(d)水平集IPhi迭代m次后，生成最终的水平集
Figure FDA0002251589950000026
通过自适应阈值，将水平集
Figure FDA0002251589950000027
二值化得到Imask，通过轮廓定位，将灰度图像的轮廓寻找出来，即二值化图像Imask的灰度值0和255的边界为轮廓，每一个轮廓代表了一个超像素区域rm。
3.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤2中定位前景区域和背景区域的方法为：将超像素区域内的区域的合集定义为前景区域rforeground，超像素区域外的区域定义为背景区域rbackground。
4.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤3对大块超像素区域进行再分割，按如下步骤进行：
a)将区域面积大于图像30％的大块超像素区域单独提取出来；
b)k-mean的聚类数设置为3个，随机选择该大块超像素区域中的三个像素点作为初始聚类中心，然后分别计算大块超像素区域内其他像素点与三个中心像素点的空间距离，选与其空间距离最小的中心像素点归于一类。
c)然后在三个聚类好的聚类体中再随机选择三个中心像素点，重复步骤b)直到聚类不再发生变化，三个聚类就成为三个新的超像素区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤4对彩色图像IRGB进行颜色量化，按如下步骤进行：
(a)将彩色图像IRGB三个通道R、G、B分离开来，通过R*144+G*12+B*1这个公式，将颜色的最大数量256*256*256减小到12*12*12；
(b)为进一步减少颜色数量到256种，统计每一种颜色的数量，个数较少的几种颜色会被与它颜色最相近的颜色替代，直到颜色的总个数少于256种，则生成了一个新的彩色图片
Figure FDA0002251589950000031
6.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤5进行区域对比生成原始显著图，按如下步骤进行：
(a)首先将新的图像
Figure FDA0002251589950000032
从RGB色彩空间转换到Lab色彩空间，生成一个形状和
Figure FDA0002251589950000033
一样的三通道数组
Figure FDA0002251589950000034
(b)某一超像素区域的显著值计算过程为，
Figure FDA0002251589950000041
其中Ds(rk,rm)是区域rk和区域之rm间的空间距离，w(rm)指颜色距离权值，即rm区域内像素点的个数，区域
Figure FDA0002251589950000042
指空间距离权值，
Figure FDA0002251589950000043
值越大，表示空间距离对显著值的影响越大；
Figure FDA0002251589950000044
是区域r1和区域r2的Lab颜色距离；
其中f(ck,i)为第i个颜色ck,i在第k个区域rk的多有nk种颜色种出现的概率，k＝{1,2}；
(c)对每一个超像素区域都执行(b)步骤，最后归一化显著值S(rk)获取原始显著图Soriginal；
其中，k、m均表示超像素区域，i表示颜色种类。
7.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤6中生成原始背景显著图，然后与原始显著图融合生成背景先验显著图的方法为：
(a)计算背景区域的平均
Figure FDA0002251589950000045
值，通过计算图像
Figure FDA0002251589950000046
内每一个点离平均值的距离求取原始背景显著图
Figure FDA0002251589950000047
(b)融合Soriginal和
Figure FDA0002251589950000048
的得到背景先验显著图
Figure FDA0002251589950000049
8.根据权利要求1所述的一种基于k-means与水平集超像素分割的图像显著性检测方法，其特征在于，所述步骤7中生成最后的显著图Sfinal，按如下步骤进行：
(a)先获取原始图像IRGB在1/2和1/4尺度下的图像
Figure FDA0002251589950000051
(b)两幅尺度图分别执行步骤2到6的过程，获取两张背景先验显著图
Figure FDA0002251589950000052
和
Figure FDA0002251589950000053
(c)融合三个尺度空间的显著图生成最后的显著图
Figure FDA0002251589950000054
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